认知能力预测安全性能:对高速铁路调度员的研究

摘要

认知能力是许多职业安全表现的良好预测指标。然而，高铁调度员在保证高铁运输系统的安全和准时性方面起着至关重要的作用，目前还没有从调度员的角度对这种相关性进行研究。因此，研究影响高铁调度员安全性能的因素，不仅对填补理论空白具有重要意义，而且有利于调度员的选拔和培训，有助于减少人为失误，预防铁路事故的发生。本研究以中国铁路某分公司118名高铁调度员为研究对象，对其进行了逻辑推理、视觉多目标跟踪、工作记忆、任务转换和认知灵活性的认知能力测试。利用调度仿真器对铁路局调度员月度安全绩效记录的安全评价评分和以列车延误时间为指标的应急处置绩效进行评价。结果表明，较高的安全评价得分(反映日常安全表现)和较短的列车延误时间(反映应急处置的安全性和效率)与较好的视觉多目标跟踪、工作记忆、任务切换和认知灵活性相关。在逻辑推理中没有发现显著的相关性。这些发现支持了认知能力作为安全性能预测指标的研究对高铁调度员的选择和培训是有用的这一建议。

1.介绍

随着中国高速铁路（HSR）在中国的快速发展和普及，每天都运输超过一百万乘客[1］．由于其高速，高密度和交通量大的特点，其安全性和效率成为铁路运输的最重要优先事项。虽然在过去的几十年里，技术失败在急剧下降，但人类可靠性成为事故和伤害的主要来源之一[2］．此前的研究主要针对高铁司机[3.];然而，调度员在确保高铁运输的安全和准时方面也发挥着重要作用，特别是在紧急情况下[4］．分析发现，调度员的失误可以被视为导致高铁事故的一个重要预测因素，这可能导致灾难性的后果[5］．2011年，中国中铁永文线两列火车追尾，造成40人死亡，172人受伤。此次相撞事故的部分原因是高铁调度员对故障信号设备的疏忽，没有向列车操作员发出正确的指令。6］．因此，影响HSR调度员安全性能的学习因素不仅仅对主管调度员的选择和培训非常重要，而且有助于减少人类错误和防止铁路事故。

在HSR等安全关键行业中，安全性能被广泛地研究了诸如HSR的安全关键行业，其中安全是最重要的绩效措施之一。以前的研究通常以三种方式评估安全性能：（1）监督评级等主观措施[3.，7]及自述评级[8，9];(2)来自模拟器研究的数据[10.，11.];(3)工作中的自然数据[12.，13.］．在这三种方法中，主观评价具有较高的可操作性，但由于每个人的标准不同，可能会有偏差;仿真器方法可以直接客观地反映工作绩效，但绩效测量实验场景与实际工作仍存在一定差异;而自然数据可以真实地反映性能，但获取起来相对困难。

高铁调度员安全绩效分析由于工作内容复杂，缺乏成熟的研究方法，面临着巨大的挑战。Guo等[14.(2020)提出了两项评估高铁调度员安全性能的措施。一个是由主管人员给出的主观评价，另一个是由高保真调度模拟器测量的客观延迟时间。和所有自我报告的量表一样[8，9，没有明确描述业绩标准的主观评价可能会有偏差。本研究以调度员每月的安全表现(即安全评价得分)来反映调度员的日常安全表现。月度安全绩效将自然的工作数据(即调度员如何遵守铁路局要求的调度规则和标准)与监督员评级结合起来。因此，既具有主观评价的高度可操作性，又具有能够克服主观评价潜在偏差的客观评价标准。此外，我们还采用了调度模拟器实验来研究紧急情况下高铁调度员的安全性能(即延迟时间)，以直观、客观地反映调度员的安全性能。

认知能力，包括一般心智能力及特定认知能力[15.，被认为与高度复杂的工作密切相关[16.，而它们与低复杂性工作的相关性较弱[17.］．高铁调度员作为列车运行的“中枢神经系统”，需要集中精力调度、指挥、跟踪和控制辖区内的所有列车运行，并在任何时候快速处理所有突发事件。因此，我们有理由认为，高铁调度员的认知能力是其安全性能的重要预测指标。

越来越多的文学体验表明，在行政职员，工业工人，执法人员和军事人员等许多职业中，认知能力是安全性能的良好预测因素[16.，18.- - - - - -20.］．在交通运输业，以往的研究表明，认知能力，尤其是多目标跟踪和工作记忆，与空中交通管制员(ATC)的行为和安全表现有关[21.，22.］．此外，研究人员发现，注意力、速度预期和性能稳定性是高铁列车驾驶员安全性能的重要指标[23.］．

关于高铁调度员，研究人员最近才研究了调度员的认知能力和安全表现之间的关系[14.］．由于缺乏相关研究提供实证证据，加之高铁高速发展的现实，迫切需要对调度员安全绩效的个体因素(如认知能力)进行考察，形成更高效、有效的调度员选拔和培训体系[24.，25］．因此，本研究旨在研究高铁调度员认知能力与安全绩效之间的关系。

为了识别高铁调度员的相关认知能力，我们在工作内容分析和列车调度员相关研究的基础上，对中国高铁调度员的任务进行了分析[26.］．正常情况下，调度员按照标准操作程序，通过调度监控系统监控每列列车的位置和状态。当正常运行因恶劣天气、列车故障或任何其他紧急情况而中断时，调度员必须相应地调整列车时刻表，发出调度命令，以执行更新的计划，应对一系列潜在的危险情况。高铁调度员的工作职责可分为信息收集、运行监控、调度和应急响应四大类[14.］．如图所示1主要涉及的认知能力有逻辑推理、多目标视觉跟踪、工作记忆、任务转换和认知灵活性。

在本研究中，我们旨在检验认知能力与高铁调度员安全表现之间的相关性。假设认知能力(包括逻辑推理、多目标视觉跟踪、工作记忆、任务切换和认知灵活性)与高铁调度员的安全表现显著相关。安全性能采用反映日常安全性能的安全评价评分和反映调度员应急处置安全性和效率的调度模拟器测量的列车延误时间。研究结果将为进一步研究高铁调度员五种特定认知能力培训方法的有效性奠定基础。

2.材料和方法

2．1．参与者和过程

来自中国铁路某分公司的118名高铁调度员参与了本研究。他们都被告知参加这个学术研究是自愿的，不会影响他们的绩效评估，也不会在公司产生任何其他后果。所有参与者都是男性，这与中国几乎所有高铁调度员都是男性的事实是一致的。年龄28 ~ 47岁(平均36.25岁，SD = 3.96岁)。他们高铁调度经验1 - 10年(平均6.04年，SD = 1.96年)。在参与调查的人中，83%的人已婚，79%的人拥有学士学位或更高学位。本研究得到西南交通大学机构评审委员会的批准。

参与者被要求在参与研究的当天避免饮酒和咖啡因，并且在研究前两小时不要进食或锻炼。所有参与者完成知情同意，然后填写一份收集人口统计学信息的问卷。认知能力测试是在当天早上进行的。参与者随机完成五项认知能力测试，测试之间有十分钟的休息时间。上午的训练持续了大约1.5个小时。当天下午进行了模拟试验，持续了约2个小时。每位调度员都获得了200元(人民币)和一份小礼物作为奖励。实验过程如图所示2．

2.2。认知能力测试

2.2.1。逻辑推理

逻辑推理是指一个人解决问题和理性思考的能力[27.］．它通常可以通过瑞文标准进展矩阵(RSPM)测试来测量[28.，29.］．RSPM测试是一种计算机化的非语言测试，由60个渐进矩阵图组成，Cronbach’s Alpha法估计其信度为0.80 [30.］．参与者需要找到嵌入在图表模式中的规则，并应用这些规则来填补矩阵中缺失的部分。最后的分数在0到60的范围内。分数越高，逻辑推理能力越强。RSPM用于测试高铁调度员的逻辑推理能力，与应急处置、计划调整等操作有关。

2.2.2。Visual MultiObject跟踪

MultiObject跟踪（MOT）任务[31.]被广泛用于研究一个人同时跟踪多个视觉运动物体的能力[32］．整个测试包括给予实践试验和50项正式试验。一个试验的概念图示于图中3.．被试被要求在所有目标都在运动的情况下，在非目标(绿色)之间视觉跟踪目标(提示-目标阶段为红色，注意跟踪阶段为绿色)。当所有物体停止移动时，参与者需要按下按钮来判断一个随机选择的物体(用白色标记)是否为目标。目标的数量从1个到7个随机确定，表现通过准确性(ACC)和反应时间(RT)来衡量。

2.2.3。工作记忆

作为一个人临时存储和处理信息的能力定义的工作记忆最常由2后任务评估（例如，[33- - - - - -35])。在每次试验中(见图)4)，参与者被提供了一系列字母(持续时间为1)，并被要求确定当前的字母是否与该系列中两个项目中出现的字母相同。如果两个字母是相同的，参与者应尽快按“Enter”键给出正确答案。整个任务包括20次实践试验和180次正式试验。采用2-back任务测试高铁调度员的工作记忆能力，该能力与信息收集和发出调度单有关。测试的准确度(ACC)和反应时间(RT)。

2.2.4。任务切换

任务转换测试评估一个人从一个认知任务快速转换到另一个认知任务的能力[36］．具体来说，它被用来测试高铁调度员在不同工作活动之间切换的能力。如图所示5，共有30项实践试验和240项正式试验。在每次试验中，在颜色判断阶段中提出了蓝色或红色方块，在数量判断阶段中呈现了一至九个数字。出现蓝色广场时，参与者被要求快速判断后续数字的奇偶校验（偶数或奇数）;when the red square appears, they were required to quickly judge whether the subsequent number is greater than or less than 5. As the participants’ accuracy scores were all higher than 90%, performance was measured only by reaction time of correct trials, with shorter reaction time meaning better.

2.2.5。认知灵活性

认知灵活性被用来评估一个人同时以多种方式构建自己知识的能力，这样当情况发生根本变化时，他们就能做出适当的反应[37］．在测试中，如图所示6，向参与者提供从“1”到“11”和“a”到“k”的随机定位数字的表，并被要求他们在订单中严格点击“1-a-2-b-3”-C。”如果单击错误的项目，则该任务将不会继续，并且参与者必须找到正确的项目并单击它。因此，从此任务中没有收集准确性数据。使用15个正式试验的平均反应时间作为测量，反应时间较短，意味着更好。

2．3.安全性能测量

2.3.1。安全评价评分的自然数据

通过铁路局《高铁调度员工作评价手册》，获取调度员的安全评价，包括信息收集、运行监控、调度、应急响应等内容。每位调度员的安全评价基准分数为100分，根据高铁调度员的日常安全行为，奖励后提高安全评价基准分数，处罚后降低安全评价基准分数。具体规则见表1．安全评估每月进行，目前研究中使用的数据是从1月至6月2020年的平均值，这与所进行的所有认知能力测试和模拟器任务一样。

2.3.2。调度模拟器任务中的列车延误时间

在恶劣天气、设备故障或人为故障等紧急情况下，列车运行将被停止或减慢。这类事件会使列车运行延迟几分钟甚至几小时。调度员需要处理紧急情况，确保所有列车尽可能安全、准时地运行。因此，反映列车调度效率的列车延误时间是评价高铁调度员绩效的客观指标。

高保真调度模拟器[14.]用于测量列车延误时间。调度模拟器(图7）是在中国HSR中使用的实际调度控制系统的重复。硬件包括两个PC计算机（精度490，双核Intel Xeon处理器5130，2 GHz）和八个显示器（27英寸，1920×1200分辨率）。此外，可以自动响应参与者的讲话的平板电脑用于模拟调度员与其他铁路人员（如火车司机）的沟通。

参与者(调度员)被要求监控系统并解决问题。本研究采用的应急方案是由经验丰富的高铁调度员设计的，是当铁路开关指示灯失去信号时出现的设备故障问题。参与者被指导按照如图所示的紧急操作程序和安全规则解决问题8．图中还展示了调度模拟器任务的流程。在这项任务中，参与者被要求在紧急情况发生后尽快恢复正常的列车运行。计算了调度员辖区内列车的总延误时间，并将其作为调度员绩效的衡量指标。由于调度员应该把安全放在第一位，并且在这个任务中很少发生事故，因此这种延迟时间度量可以反映调度员的响应效率性能。

3.结果

3.1。描述性分析

两个人口统计学变量、七个认知能力变量和两个安全性能变量的均值、标准差、最小值和最大值见表2．

３．２．相关分析

采用双尾Pearson相关检验自变量(包括人口统计学变量和认知能力)与因变量(安全评价得分和列车延误时间)之间的关系(表)3.)．结果显示，安全评价得分与列车延误时间(r = −0.75, )，表示安全性能的两次测量值高。

安全性评价得分与多目标跟踪的准确性(r= 0.40, ）工作记忆(r= 0.41, ）;与多目标跟踪的反应时间呈负相关(r = −0.54, )，工作记忆(r=−0.48, )，任务切换 （r=−0.56, )，认知灵活性(r = −0.30, )．延迟时间与多目标视觉跟踪的反应时间呈正相关(r = 0.59, )，工作记忆(r= 0.63, )，任务切换 （r= 0.57, )，认知灵活性(r = 0.35, )，它与多功能视觉跟踪的准确性负相关（r = −0.42, ）工作记忆(r = −0.43, )，表明更好的认知能力与更高的安全表现相关。由安全评价得分和列车延误时间组成的逻辑推理与安全性能之间的关系不显著相关。

3.3。分层回归分析

建立两步递阶回归模型，分别识别影响列车安全评价和延误时间的变量。首先输入人口统计学变量，包括年龄和派遣经验;然后输入认知能力，包括逻辑推理(得分)、视觉多目标跟踪(前扣带和后扣带)、工作记忆(前扣带和后扣带)、任务转换(任务转换)和认知灵活性(任务转换)。如表所示4，更好的认知能力，包括多目标视觉跟踪的准确性(β = 0.193, )，工作记忆(β= 0.204, )，任务转换的反应时间(β=−0.292, )，可显著预测较高的安全评价分值，占控制年龄和调度经验时安全评价分值总方差的48.4%。

关于列车延误时间，类似的结果见表5．认知能力，包括多目标视觉跟踪的准确性(β=−0.137, )，工作记忆(β = −0.188, )，工作记忆反应时间(β= 0.335, )，任务切换 （β= 0.188, )，认知灵活性(β= 0.137, )，是预测列车延误时间的重要指标。在控制年龄和调度经验的情况下，这5个自变量可占列车延误时间总方差的59.9%。

4。讨论

本研究旨在探讨认知能力对高铁调度员安全绩效的影响。通过测量五种认知能力和两种安全性能指标，我们对118名高铁调度员进行了测试。目前的结果显示，相关的认知能力与参与者的安全表现相关。由视觉多目标跟踪、工作记忆、任务切换和认知灵活性组成的认知能力对安全绩效指标，即安全评价得分和列车延误时间有正向预测作用，层次回归解释了48.4%和59.9%的总方差。结果表明，高铁调度员的视觉多目标跟踪能力、工作记忆能力、任务转换能力和认知灵活性与高铁调度员较好的安全表现相关，而逻辑推理能力与这两种安全表现之间的相关性不显著。研究结果可为高铁调度员的选拔和培训提供依据和指标。

与现有研究一致[38]，本研究验证了视觉多目标跟踪与调度员安全性能之间的正相关关系。根据文献[26.，39]和任务分析，高铁调度员需要监控其管辖范围内多列列车的运行状态，以及信号、车站、开关和天气状况。多对象的动态视觉跟踪成为他们日常工作中不可缺少的一部分[38］．因此，可以理解视觉MOT能力是预测高铁调度员绩效的有效指标。

工作记忆能力通常与学习成绩和团队表现等任务表现有关。40，41］．工作记忆是高铁调度员工作的重要要求，因为高铁调度员需要对多条信息进行处理并进行综合决策。目前的结果证实，它是一个很好的预测调度员的安全性能。因此，铁路局在调度员的选拔和培训过程中，应更加重视调度员的工作记忆能力。

与其他需要多任务处理的工作结果一致[24.，42，43]，本研究结果证实任务转换能力和认知灵活性是安全表现(列车延误时间)的重要预测因子。任务转换能力是指在不同认知任务之间进行转换的能力[36]，认知灵活性是心理执行过程的一个关键方面，即调配认知资源以适应事件的变化[44］．高铁调度员是组织铁路其他人员和资源的中央指挥员。他们在几乎所有的工作时间里，经常在发送调度命令、打电话、监视列车运行等任务之间转换。因此，它们的任务切换和认知灵活性对它们的调度精度和效率有相当大的影响[45］．所有这些结果都建议在预测安全表现时应考虑认知能力[46］．

与工作分析和研究假设不一致的是，逻辑推理能力与安全绩效指标(安全评价得分和列车延误时间)没有显著相关关系。一种可能的解释是，调度员的表现对他们的教育程度和生产力方面的心理能力的依赖程度很低。27.- - - - - -29.］．调度员的工作高度程序化和标准化。虽然高铁调度是一项包含多项信息和当前任务要求的任务，特别是在紧急情况下，但手册和法规中提供了明确的程序来指导问题的解决，这可能会减少关联性[17.］．

本研究仍存在一定的局限性。首先，所有的高铁调度员只从两个铁路组中选出。未来的研究应该在其他地理区域或其他国家的更广泛的调度员群体中检验预测模型。其次，在逻辑推理方面，应该采用更有针对性的方法进行进一步的研究。最后，除了这五个认知指标外，未来的研究还需要对调度员的工作内容进行更深入的分析，寻找其他可能影响调度员安全绩效的认知因素。其他因素，如工作态度、个性和冒险动机也应该在后续的研究中考虑在内。

5。结论

综上所述，本研究结果支持认知能力(包括多目标视觉跟踪、工作记忆、任务转换和认知灵活性)对中国高铁调度员安全绩效(包括主观和客观指标)的正向预测作用。这些发现支持了认知能力作为预测指标的研究对高铁调度员的选择和培训是有用的这一建议。此外，安全绩效(安全评价得分与列车延误时间)具有较高的一致性，也可作为调度员选择的工具。除了认知能力，其他因素，如个性和动机也可能是安全表现的重要预测因素。未来的研究需要进一步研究其他因素。

数据可用性

本研究中使用的所有数据和模型均可从通讯作者处获得。

利益冲突

作者声明本文的发表不存在利益冲突。

作者的贡献

石磊和郭子政对该手稿的贡献是相同的。

致谢

国家自然科学基金项目(no . 32000734, no . 51108390, no . 71601163);中国铁路科技计划项目(no . 2018F024);四川省科技计划项目(no . 2019YFG0043);朔黄铁路发展有限责任公司科技创新项目(no . SHTL-19-01)。

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